Bakterie to mikroskopijne, jednokomórkowe organizmy, które istnieją w swoich milionach, w każdym środowisku, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz innych organizmów.
Niektóre bakterie są szkodliwe, ale większość służy przydatnym celom. Wspierają wiele form życia, zarówno roślinnych, jak i zwierzęcych, i są wykorzystywane w procesach przemysłowych i medycznych.
Uważa się, że bakterie były pierwszymi organizmami, które pojawiły się na Ziemi około 4 miliardy lat temu. Najstarsze znane skamieliny są organizmami bakteryjnymi.
Bakterie mogą wykorzystywać większość organicznych i niektóre nieorganiczne związki jako żywność, a niektóre mogą przetrwać ekstremalne warunki.
Rosnące zainteresowanie funkcją mikrobiomu jelitowego rzuca nowe światło na rolę bakterii w ludzkim zdrowiu.
Czym są bakterie?
Bakterie to organizmy jednokomórkowe, które nie są roślinami ani zwierzętami.
Zazwyczaj mierzą one kilka mikrometrów długości i istnieją razem w społecznościach milionów.
Gram ziemi zazwyczaj zawiera około 40 milionów komórek bakterii. Mililitr świeżej wody zawiera zwykle około miliona komórek bakterii.
Ocenia się, że na ziemi znajduje się co najmniej 5 bakterii zliczających 100 miliardów bakterii. Uważa się, że większość biomasy Ziemi składa się z bakterii.
Rodzaje
Istnieje wiele różnych rodzajów bakterii. Jednym ze sposobów ich klasyfikacji jest kształt. Istnieją trzy podstawowe kształty.
- Kulisty: Bakterie w kształcie kuli zwane są cocci, a pojedyncza bakteria to kokos. Przykłady obejmują grupę paciorkowców, odpowiedzialną za «anginę».
- W kształcie pręta: Są one znane jako pałeczki (pojedyncza bacillus). Niektóre bakterie w kształcie pałeczki są zakrzywione. Są one znane jako vibrio. Przykłady bakterii w kształcie prętów obejmują Bacillus anthracis (B. anthracis) lub wąglik.
- Spirala: Są one znane jako spirilla (pojedynczy spirillus). Jeśli ich cewka jest bardzo ciasna, są znane jako krętki. Leptospiroza, borelioza i kiła są powodowane przez bakterie o tym kształcie.
W każdej grupie kształtów występuje wiele odmian.
Struktura
Komórki bakterii różnią się od komórek roślinnych i zwierzęcych. Bakterie są prokariotami, co oznacza, że nie mają jądra.
Komórka bakteryjna obejmuje:
- Kapsułka: warstwa znajdująca się na zewnątrz ściany komórkowej niektórych bakterii.
- Ściana komórkowa: warstwa wykonana z polimeru zwanego peptydoglikanem. Ściana komórkowa nadaje jej kształt. Znajduje się poza membraną plazmową. Ściana komórkowa jest grubsza w niektórych bakteriach, zwanych bakteriami Gram-dodatnimi.
- Błona plazmatyczna: znajduje się w ścianie komórkowej, generuje energię i transportuje chemikalia. Membrana jest przepuszczalna, co oznacza, że substancje mogą przez nią przechodzić.
- Cytoplazma: galaretowata substancja wewnątrz błony komórkowej, która zawiera materiał genetyczny i rybosomy.
- DNA: Zawiera wszystkie instrukcje genetyczne stosowane w rozwoju i funkcji bakterii. Znajduje się wewnątrz cytoplazmy.
- Rybosomy: Tu powstają lub syntetyzuje białka. Rybosomy są złożonymi cząsteczkami złożonymi z granulek bogatych w RNA.
- Flagellum: Jest używany do ruchu, do napędzania niektórych rodzajów bakterii. Istnieje kilka bakterii, które mogą mieć więcej niż jeden.
- Pili: Te przypominające włosy wyrostki na zewnątrz komórki pozwalają mu przylgnąć do powierzchni i przenieść materiał genetyczny do innych komórek. Może to przyczynić się do rozprzestrzeniania się chorób u ludzi.
Karmienie
Bakterie żerują na różne sposoby.
Bakterie heterotroficzne lub heterotrofy pobierają energię poprzez spożywanie węgla organicznego. Większość absorbuje martwy materiał organiczny, taki jak rozkładające się mięso. Niektóre z tych pasożytniczych bakterii zabijają gospodarza, podczas gdy inne pomagają im.
Bakterie autotroficzne (lub po prostu autotrofy) wytwarzają własne pożywienie, albo poprzez:
- fotosyntezę, używając światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla, lub
- chemosyntezę, za pomocą dwutlenku węgla, wody i chemikaliów, takich jak amoniak, azot, siarka i inne
Bakterie wykorzystujące fotosyntezę nazywają się fototrofami. Niektóre typy, na przykład, cyjanobakterie wytwarzają tlen. Prawdopodobnie odegrały one istotną rolę w tworzeniu tlenu w ziemskiej atmosferze. Inne, takie jak heliobakterie, nie wytwarzają tlenu.
Te, które stosują chemosyntezę, znane są jako chemoautotrofy. Bakterie te są powszechnie spotykane w otworach oceanicznych i korzeniach roślin strączkowych, takich jak lucerna, koniczyna, groch, fasola, soczewica i orzeszki ziemne.
Gdzie oni żyją?
Bakterie można znaleźć w glebie, wodzie, roślinach, zwierzętach, odpadach radioaktywnych, głęboko w skorupie ziemskiej, lodach arktycznych i lodowcach oraz gorących źródłach. W stratosferze znajdują się bakterie, od 6 do 30 mil w atmosferze, a także w głębinach oceanu, do głębokości 3200 stóp lub głębokości 10 000 metrów.
Aerobes lub bakterie tlenowe mogą rosnąć tylko tam, gdzie jest tlen. Niektóre typy mogą powodować problemy dla środowiska ludzkiego, takie jak korozja, zanieczyszczenia, problemy z przejrzystością wody i nieprzyjemne zapachy.
Beztlenowce lub bakterie beztlenowe mogą rosnąć tylko tam, gdzie nie ma tlenu. U ludzi jest to głównie w przewodzie żołądkowo-jelitowym. Mogą również powodować zgorzel gazową, tężec, zatrucie jadem kiełbasianym i większość infekcji stomatologicznych.
Beztlenowce fakultatywne lub fakultatywne bakterie beztlenowe mogą żyć z tlenem lub bez niego, ale preferują środowiska, w których występuje tlen. Występują głównie w glebie, wodzie, roślinności i niektórych normalnych florach ludzi i zwierząt. Przykłady obejmują Salmonella.
Mezofile lub bakterie mezofilne są bakteriami odpowiedzialnymi za większość ludzkich zakażeń. Rozwijają się w umiarkowanych temperaturach, około 37 stopni Celsjusza. To jest temperatura ludzkiego ciała.
Przykłady obejmują Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli i Clostridium kluyveri.
Ludzka flora jelitowa lub mikrobiom jelitowy zawiera korzystne bakterie mezofilne, takie jak dietetyczny Lactobacillus acidophilus.
Ekstremofile lub bakterie ekstremofilne mogą wytrzymać warunki uważane za zbyt ekstremalne dla większości form życia.
Thermophile mogą żyć w wysokich temperaturach, od 75 do 80 stopni Celsjusza (C), a hipertermofile mogą przetrwać w temperaturach do 113 stopni C.
Głęboko w oceanie, bakterie żyją w całkowitej ciemności przez otwory termiczne, gdzie temperatura i ciśnienie są wysokie. Tworzą własne pożywienie poprzez utlenianie siarki, która pochodzi z głębi ziemi.
Inne ekstremofile obejmują:
- Halofile, znalezione tylko w słonym środowisku
- Acidophiles, z których niektóre żyją w środowiskach tak kwaśnych jak pH0
- Alkalifile, żyjące w środowiskach alkalicznych do pH 10,5
- Psychofile, występujące w niskich temperaturach, na przykład w lodowcach
Ekstremofile mogą przetrwać tam, gdzie żaden inny organizm nie może.
Reprodukcja i transformacja
Bakterie mogą się rozmnażać i zmieniać, stosując następujące metody:
- Rozszczepienie binarne: Bezpłciowa forma rozmnażania, w której komórka nadal rośnie, aż nowa ściana komórkowa dojdzie przez środek, tworząc dwie komórki. Te oddzielne, tworząc dwie komórki z tego samego materiału genetycznego.
- Przenoszenie materiału genetycznego: komórki nabywają nowy materiał genetyczny poprzez procesy znane jako koniugacja, transformacja lub transdukcja. Procesy te mogą wzmocnić bakterie i zwiększyć ich odporność na zagrożenia, takie jak leki antybiotykowe.
- Zarodniki: gdy niektóre rodzaje bakterii mają niskie zasoby, mogą tworzyć zarodniki. Zarodniki trzymają materiał DNA organizmu i zawierają enzymy potrzebne do kiełkowania. Są bardzo odporne na stresy środowiskowe. Zarodniki mogą pozostać nieaktywne przez stulecia, dopóki nie wystąpią odpowiednie warunki. Następnie mogą reaktywować się i stać się bakteriami.
- Zarodniki mogą przetrwać okresy stresu środowiskowego, w tym promieniowanie ultrafioletowe (UV) i gamma, wysuszenie, głodzenie, ekspozycję chemiczną i ekstremalne temperatury.
Niektóre bakterie produkują endospory lub wewnętrzne przetrwalniki, podczas gdy inne produkują egzospory, które są uwalniane na zewnątrz. Są one znane jako cysty.
Clostridium jest przykładem bakterii tworzącej endospory. Istnieje około 100 gatunków Clostridium, w tym Clostridium botulinim (C. botulinim) lub botulizm, odpowiedzialny za potencjalnie śmiertelny rodzaj zatrucia pokarmowego i Clostridium difficile (C. Difficile), który powoduje zapalenie okrężnicy i inne problemy jelitowe.
Używa
Bakterie są często uważane za złe, ale wiele z nich jest pomocnych. Bez nich nie istnielibyśmy. Tlen, którym oddychamy, został prawdopodobnie wytworzony przez aktywność bakterii.
Ludzkie przetrwanie
Wiele bakterii w organizmie odgrywa ważną rolę w przetrwaniu człowieka. Bakterie w układzie pokarmowym rozkładają składniki odżywcze, takie jak złożone cukry, w formy, z których organizm może korzystać.
Niebezpieczne bakterie również pomagają zapobiegać chorobom przez zajmowanie miejsc, do których chorobotwórcze lub chorobotwórcze bakterie chcą się przyczepić. Niektóre bakterie chronią nas przed chorobami, atakując patogeny.
Utrwalanie azotu
Bakterie przyjmują azot i uwalniają go do użycia roślinnego, gdy umierają. Rośliny potrzebują azotu w glebie, aby mogły żyć, ale same nie mogą tego zrobić. Aby to zapewnić, wiele nasion roślin ma mały pojemnik z bakteriami, który jest używany, gdy roślina kiełkuje.
Technologia żywności
Bakterie kwasu mlekowego, takie jak Lactobacillus i Lactococcus wraz z drożdżami i pleśniami lub grzybami, są używane do przygotowywania żywności, takiej jak ser, sos sojowy, natto (sfermentowane ziarna soi), ocet, jogurt i pikle.
Nie tylko fermentacja jest przydatna do konserwowania żywności, ale niektóre z tych produktów mogą oferować korzyści zdrowotne.
Na przykład, niektóre sfermentowane pokarmy zawierają typy bakterii, które są podobne do tych związanych ze zdrowiem żołądkowo-jelitowym. Niektóre procesy fermentacji prowadzą do nowych związków, takich jak kwas mlekowy, które wydają się mieć działanie przeciwzapalne.
Potrzeba więcej badań, aby potwierdzić korzyści zdrowotne wynikające ze sfermentowanej żywności.
Bakterie w przemyśle i badaniach
Bakterie mogą rozkładać związki organiczne. Jest to przydatne w takich działaniach, jak przetwarzanie odpadów i usuwanie wycieków ropy i odpadów toksycznych.
Przemysł farmaceutyczny i chemiczny wykorzystuje bakterie do produkcji niektórych chemikaliów.
Bakterie są wykorzystywane w biologii molekularnej, biochemii i badaniach genetycznych, ponieważ mogą szybko rosnąć i są stosunkowo łatwe do manipulowania. Naukowcy wykorzystują bakterie do badania działania genów i enzymów.
Bakterie są potrzebne do wytwarzania antybiotyków.
Bacillus thuringiensis (BT) to bakteria, która może być stosowana w rolnictwie zamiast pestycydów. Nie ma niepożądanych skutków dla środowiska związanych ze stosowaniem pestycydów.
Zagrożenia
Niektóre rodzaje bakterii mogą powodować choroby u ludzi, takie jak cholera, błonica, czerwonka, dżuma dymienicza, zapalenie płuc, gruźlica (TB), tyfus i wiele innych.
Jeśli ciało ludzkie jest narażone na działanie bakterii, których organizm nie uznaje za pomocne, układ odpornościowy zaatakuje je. Ta reakcja może prowadzić do objawów obrzęku i zapalenia, które widzimy na przykład w zakażonej ranie.
Odporność
W 1900 r. Zapalenie płuc, gruźlica i biegunka były trzema największymi zabójcami w Stanach Zjednoczonych (USA). Techniki sterylizacji i leki antybiotykowe doprowadziły do znacznego spadku liczby zgonów z powodu chorób bakteryjnych.
Jednak nadużywanie antybiotyków utrudnia zakażenie bakteryjne. W miarę mutacji bakterii stają się one bardziej odporne na istniejące antybiotyki, co sprawia, że infekcje stają się trudniejsze w leczeniu. Bakterie przekształcają się naturalnie, ale nadużywanie antybiotyków przyspiesza ten proces.
«Nawet jeśli opracowane zostaną nowe leki, bez zmiany zachowania, oporność na antybiotyki pozostanie głównym zagrożeniem». Światowa Organizacja Zdrowia (WHO)
Z tego powodu naukowcy i władze odpowiedzialne za opiekę zdrowotną wzywają lekarzy, aby nie przepisywali antybiotyków, o ile nie jest to konieczne, oraz aby ludzie stosowali inne metody zapobiegania chorobom, takie jak dobra higiena żywności, mycie rąk, szczepienia i bezpieczny seks.
Mikrobiom jelitowy
Ostatnie badania doprowadziły do nowego i coraz większego przekonania, jak organizm ludzki oddziałuje na bakterie, a zwłaszcza na społeczności bakterii żyjących w jelitach, zwane mikrobiomem jelitowym lub florą jelitową.
W 2009 r. Naukowcy opublikowali wyniki sugerujące, że kobiety z otyłością częściej mają swoisty toksyczny wpływ na bakterie w jamie ustnej.
W 2015 r. Naukowcy z University of North Carolina odkryli, że jelita osób z anoreksją zawierają «bardzo różne» bakterie lub bakterie, w porównaniu z osobami, które nie mają tego stanu. Sugerują, że może to mieć wpływ psychologiczny.
Nowe badania nad bakteriami w 2024 roku
W 2024 roku badania nad mikrobiomem jelitowym przybierają na sile, dostarczając coraz więcej dowodów na to, jak bakterie wpływają na nasze zdrowie. Nowe dane wskazują, że różnorodność bakterii w jelitach może mieć kluczowe znaczenie dla zapobiegania otyłości oraz chorobom metabolicznym. Dokonano również odkryć dotyczących bakterii probiotycznych, które mogą wspomagać układ odpornościowy i redukować stany zapalne.
Badania sugerują, że suplementacja probiotykami może przynieść korzyści osobom cierpiącym na choroby jelit, takie jak zespół jelita drażliwego, co może otworzyć nowe możliwości terapeutyczne w leczeniu tych schorzeń.
Ponadto, w kontekście ochrony środowiska, bakterie są badane pod kątem ich potencjału w bioremediacji, co może pomóc w usuwaniu zanieczyszczeń z gleby i wód gruntowych. Wzmożone zainteresowanie biotechnologią umożliwia wykorzystanie bakterii do bardziej zrównoważonego rozwoju rolnictwa, co jest niezwykle istotne w obliczu zmian klimatycznych.
